《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LED驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析
摘要: LED的高可靠性(使用壽命超過50,000個小時),、較高的效率(>120流明/瓦)以及近乎瞬時的響應(yīng)能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡200mS的響應(yīng)時間相比,,LED會在短短5ns響應(yīng)時間內(nèi)發(fā)光,。因此,,目前它們已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到廣泛采用。
Abstract:
Key words :

        隨著LED的生產(chǎn)成本下降,,其使用愈發(fā)普遍,,所涵蓋的應(yīng)用范圍從手持終端設(shè)備到車載,再到建筑照明,。 LED的高可靠性(使用壽命超過50,000個小時),、較高的效率(>120流明/瓦)以及近乎瞬時的響應(yīng)能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡200mS的響應(yīng)時間相比,,LED會在短短5ns響應(yīng)時間內(nèi)發(fā)光,。因此,目前它們已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到廣泛采用,。

        驅(qū)動LED

        驅(qū)動LED并非沒有挑戰(zhàn),。可調(diào)的亮度需要用恒定電流來驅(qū)動LED,,并且無論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定,。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來為其供電相比更具有挑戰(zhàn)性。

         LED具有類似于二極管的正向V-I特性,。在低于LED開啟閾值(白光LED的開啟電壓閾值大約為 3.5V)時,,通經(jīng)該LED的電流非常小。在高于該閾值時,,電流會以正向電壓形式成指數(shù)倍遞增,。這就允許將LED定型為帶有一個串聯(lián)電阻的電壓源,其中帶有一則警示說明:本模型僅在單一的工作DC電流下才有效,。如果LED中的DC電流發(fā)生改變,,那么該模型的電阻也應(yīng)隨即改變,以反映新的工作電流,。在大的正向電流下,,LED中的功率耗散會使設(shè)備發(fā)熱,,此舉將改變正向壓降和動態(tài)阻抗。在確定LED阻抗時充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的,。

          當(dāng)通過降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動LED時,,LED常常會根據(jù)所選的輸出濾波器排列來傳導(dǎo)電感的AC紋波電流和DC電流。這不僅會提高LED中電流的RMS振幅,,而且還會增大其功耗,。這樣就可提高結(jié)溫并對LED的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設(shè)定一個70%的光輸出限制作為LED的使用壽命,,那么LED的壽命就會從74攝氏度度下的15,000小時延長到63攝氏度度下的40,000小時,。LED的功率損耗由LED電阻乘以RMS電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來確定。由于結(jié)溫可通過平均功耗來確定,,因此即使是較大的紋波電流對功耗產(chǎn)生的影響也不大,。

        例如,,在降壓轉(zhuǎn)換器中,,等于DC輸出電流(Ipk- pk=Iout)的峰至峰紋波電流會增加不超過10%的總功率損耗。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上面的損耗水平,,那么就需要降低來自電源的AC紋波電流以便使結(jié)溫和工作壽命保持不變,。一條非常有用的經(jīng)驗法則是結(jié)溫每降低10攝氏度,半導(dǎo)體壽命就會提高兩倍,。實際上,,由于電感器的抑制作用,因此大多數(shù)設(shè)計就趨向于更低的紋波電流,。此外,,LED中的峰值電流不應(yīng)超過廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值。

        拓?fù)溥x擇

        表1中所顯示的信息有助于為LED驅(qū)動器選擇最佳的開關(guān)拓?fù)?。除這些拓?fù)渲?,您還可使用簡易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED,但是此類方法通常會浪費過多功率,。所有相關(guān)的設(shè)計參數(shù)包括輸入電壓范圍,、驅(qū)動的LED數(shù)量、LED電流,、隔離,、EMI 抑制以及效率。大多數(shù)的LED驅(qū)動電路都屬于下列拓?fù)漕愋停航祲盒?、升壓型,、降?升壓型、SEPIC和反激式拓?fù)洹?br />  

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表1:備選的LED電源拓?fù)?/em>

        隨著LED的生產(chǎn)成本下降,,其使用愈發(fā)普遍,,所涵蓋的應(yīng)用范圍從手持終端設(shè)備到車載,,再到建筑照明。 LED的高可靠性(使用壽命超過50,000個小時),、較高的效率(>120流明/瓦)以及近乎瞬時的響應(yīng)能力使其成為極具吸引力的光源,。與白熾燈泡200mS的響應(yīng)時間相比,LED會在短短5ns響應(yīng)時間內(nèi)發(fā)光,。因此,,目前它們已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到廣泛采用。

        驅(qū)動LED

        驅(qū)動LED并非沒有挑戰(zhàn),??烧{(diào)的亮度需要用恒定電流來驅(qū)動LED,并且無論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定,。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來為其供電相比更具有挑戰(zhàn)性,。

         LED具有類似于二極管的正向V-I特性。在低于LED開啟閾值(白光LED的開啟電壓閾值大約為 3.5V)時,,通經(jīng)該LED的電流非常小,。在高于該閾值時,電流會以正向電壓形式成指數(shù)倍遞增,。這就允許將LED定型為帶有一個串聯(lián)電阻的電壓源,,其中帶有一則警示說明:本模型僅在單一的工作DC電流下才有效。如果LED中的DC電流發(fā)生改變,,那么該模型的電阻也應(yīng)隨即改變,,以反映新的工作電流。在大的正向電流下,,LED中的功率耗散會使設(shè)備發(fā)熱,,此舉將改變正向壓降和動態(tài)阻抗。在確定LED阻抗時充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的,。

          當(dāng)通過降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動LED時,,LED常常會根據(jù)所選的輸出濾波器排列來傳導(dǎo)電感的AC紋波電流和DC電流。這不僅會提高LED中電流的RMS振幅,,而且還會增大其功耗,。這樣就可提高結(jié)溫并對LED的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設(shè)定一個70%的光輸出限制作為LED的使用壽命,,那么LED的壽命就會從74攝氏度度下的15,000小時延長到63攝氏度度下的40,000小時,。LED的功率損耗由LED電阻乘以RMS電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來確定。由于結(jié)溫可通過平均功耗來確定,,因此即使是較大的紋波電流對功耗產(chǎn)生的影響也不大,。

        例如,在降壓轉(zhuǎn)換器中,,等于DC輸出電流(Ipk- pk=Iout)的峰至峰紋波電流會增加不超過10%的總功率損耗,。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上面的損耗水平,,那么就需要降低來自電源的AC紋波電流以便使結(jié)溫和工作壽命保持不變。一條非常有用的經(jīng)驗法則是結(jié)溫每降低10攝氏度,,半導(dǎo)體壽命就會提高兩倍,。實際上,由于電感器的抑制作用,,因此大多數(shù)設(shè)計就趨向于更低的紋波電流,。此外,LED中的峰值電流不應(yīng)超過廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值,。

        拓?fù)溥x擇

        表1中所顯示的信息有助于為LED驅(qū)動器選擇最佳的開關(guān)拓?fù)?。除這些拓?fù)渲猓€可使用簡易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED,,但是此類方法通常會浪費過多功率,。所有相關(guān)的設(shè)計參數(shù)包括輸入電壓范圍、驅(qū)動的LED數(shù)量,、LED電流,、隔離、EMI 抑制以及效率,。大多數(shù)的LED驅(qū)動電路都屬于下列拓?fù)漕愋停航祲盒?、升壓型、降?升壓型,、SEPIC和反激式拓?fù)洹?br />  

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表1:備選的LED電源拓?fù)?/em>

        圖1顯示了三種基本的電源拓?fù)涫纠5谝粋€示意圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器適用于輸出電壓總小于輸入電壓的情形,。在圖1中,,降壓穩(wěn)壓器會通過改變MOSFET的開啟時間來控制電流進(jìn)入LED。電流感應(yīng)可通過測量電阻器兩端的電壓獲得,,其中該電阻器應(yīng)與LED串聯(lián),。對該方法來說,重要的設(shè)計難題是如何驅(qū)動 MOSFET,。從性價比的角度來說,,推薦使用需要浮動?xùn)艠O驅(qū)動的N通道場效應(yīng)晶體管(FET)。這需要一個驅(qū)動變壓器或浮動驅(qū)動電路(其可用于維持內(nèi)部電壓高于輸入電壓),。

        圖1還顯示了備選的降壓穩(wěn)壓器(buck#2),。在此電路中,MOSFET對接地進(jìn)行驅(qū)動,,從而大大降低了驅(qū)動電路要求,。該電路可選擇通過監(jiān)測FET電流或與LED串聯(lián)的電流感應(yīng)電阻來感應(yīng)LED電流。后者需要一個電平移位電路來獲得電源接地的信息,,但這會使簡單的設(shè)計復(fù)雜化,。另外,,圖1中還顯示了一個升壓轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時使用,。由于MOSFET對接地進(jìn)行驅(qū)動并且電流感應(yīng)電阻也采用接地參考,,因此此類拓?fù)湓O(shè)計起來就很容易。該電路的一個不足之處是在短路期間,,通過電感器的電流會毫無限制,。您可以通過保險絲或電子斷路器的形式來增加故障保護(hù)。此外,,某些更為復(fù)雜的拓?fù)湟部商峁┐祟惐Wo(hù),。

簡單的降壓和升壓型拓?fù)錇長ED供電

圖1:簡單的降壓和升壓型拓?fù)錇長ED供電

        圖2顯示了兩款降壓-升壓型電路,該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時高時低時使用,。兩者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有關(guān)電流感應(yīng)電阻和柵極驅(qū)動位置的兩個降壓型拓?fù)渲酗@現(xiàn)),。圖2中的降壓-升壓型拓?fù)滹@示了一個接地參考的柵極驅(qū)動。它需要一個電平移位的電流感應(yīng)信號,,但是該反向降壓-升壓型電路具有一個接地參考的電流感應(yīng)和電平移位的柵極驅(qū)動,。如果控制IC與負(fù)輸出有關(guān),并且電流感應(yīng)電阻和LED可交換,,那么該反向降壓-升壓型電路就能以非常有用的方式進(jìn)行配置,。適當(dāng)?shù)目刂艻C,就能直接測量輸出電流,,并且MOSFET也可被直接驅(qū)動,。

降壓-升壓型拓?fù)淇烧{(diào)節(jié)大于或小于Vout的輸入電壓

圖2:降壓-升壓型拓?fù)淇烧{(diào)節(jié)大于或小于Vout的輸入電壓

        該降壓-升壓方法的一個缺陷是電流相當(dāng)高。例如,,當(dāng)輸入和輸出電壓相同時,,電感和電源開關(guān)電流則為輸出電流的兩倍。這會對效率和功耗產(chǎn)生負(fù)面的影響,。在許多情況下,,圖3中的“降壓或升壓型”拓?fù)鋵⒕徍瓦@些問題。在該電路中,,降壓功率級之后是一個升壓,。如果輸入電壓高于輸出電壓,則在升壓級剛好通電時,,降壓級會進(jìn)行電壓調(diào)節(jié),。如果輸入電壓小于輸出電壓,則升壓級會進(jìn)行調(diào)節(jié)而降壓級則通電,。通常要為升壓和降壓操作預(yù)留一些重疊,,因此從一個模型轉(zhuǎn)到另一模型時就不存在靜帶。

        當(dāng)輸入和輸出電壓幾乎相等時,,該電路的好處是開關(guān)和電感器電流也近乎等同于輸出電流,。電感紋波電流也趨向于變小,。即使該電路中有四個電源開關(guān),通常效率也會得到顯著的提高,,在電池應(yīng)用中這一點至關(guān)重要,。圖3中還顯示了SEPIC拓?fù)洌祟愅負(fù)湟筝^少的FET,,但需要更多的無源組件,。其好處是簡單的接地參考FET驅(qū)動器和控制電路。此外,,可將雙電感組合到單一的耦合電感中,,從而節(jié)省空間和成本。但是像降壓-升壓拓?fù)湟粯?,它具有?ldquo;降壓或升壓” 和脈動輸出電流更高的開關(guān)電流,,這就要求電容器可通過更大的RMS電流。

降壓或升壓型以及SEPIC拓?fù)涮峁┝烁叩男? height=

圖3:降壓或升壓型以及SEPIC拓?fù)涮峁┝烁叩男?/em>

        出于安全考慮,,可能規(guī)定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離,。在此應(yīng)用中,最具性價比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器(請參見圖4),。它要求所有隔離拓?fù)涞慕M件數(shù)最少,。變壓器匝比可設(shè)計為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓,,這樣就提供了極大的設(shè)計靈活性,。但其缺點是電源變壓器通常為定制組件。此外,,在 FET以及輸入和輸出電容器中存在很高的組件應(yīng)力,。在穩(wěn)定照明應(yīng)用中,可通過使用一個“慢速”反饋控制環(huán)路(可調(diào)節(jié)與輸入電壓同相的LED電流)來實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)功能,。通過調(diào)節(jié)所需的平均LED電流以及與輸入電壓同相的輸入電流,即可獲得較高的功率因數(shù),。

        需要對LED進(jìn)行調(diào)光是一件很平常的事,。例如,可能需要調(diào)節(jié)顯示屏或調(diào)節(jié)建筑燈的亮度,。實現(xiàn)此操作的方式有兩種:即降低LED電流或快速打開LED再關(guān)閉,,然后使眼睛最終得到平衡。因為光輸出并非完全與電流呈線性關(guān)系,,因此降低電流的方法效率最低,。此外,LED 色譜通常會在電流低于額定值時發(fā)生改變,。請記?。喝藢α炼鹊母兄芍笖?shù)倍增,,因此調(diào)光就需要電流出現(xiàn)更大的百分比變動。因為在全電流下,,3%的調(diào)節(jié)誤差由于電路容差緣故可在10%的負(fù)載下放大成30%甚至更大的誤差,,因此這會對電路設(shè)計產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應(yīng)速度問題,,但通過脈寬調(diào)制(PWM)來調(diào)節(jié)電流仍更為精確,。當(dāng)照明和顯示時,需要100Hz以上的PWM才能使人眼不會察覺到閃爍,。10%的脈沖寬度處于毫秒范圍內(nèi),,并且要求電源具有高于 10kHz以上的帶寬。

        結(jié) 論
 
        如表2所示,,在許多應(yīng)用中使用LED正變得日益普遍,。它將會采用各種電源拓?fù)鋪頌檫@些應(yīng)用提供支持。通常,,輸入電壓,、輸出電壓和隔離需求將規(guī)定正確的選擇。在輸入電壓與輸出電壓相比總是時高時低時,,采用降壓或升壓可能是顯而易見的選擇,。但是,當(dāng)輸入和輸出電壓的關(guān)系并非如此受抑制時,,該選擇就變的更加困難,,需要權(quán)衡許多因素,其中包括效率,、成本和可靠性,。

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表2:許多LED應(yīng)用都規(guī)定了多種電源拓?fù)?/em>

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